非接触空中超音波技術を用いた配管の検査法の開発
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カテゴリ: 第7回
. はしがき
矩形バースト超音波はパルス超音波と比較して強力 =パワーが出せること、周波数や波数が容易に可変で - 最適探傷条件を見いだし易い利点がある。今回、矩 ンバースト超音波を用いた非接触空中超音波検査(Non contact Air Coupled Ultrasonic Testing ; E T NAUT < Page )によって、パイプの円周方向に効率良くガイド波を 受できる方法を開発した。本報告では、ガイド波を J率良く伝搬させるための周波数・入射角の設定法、触子の設計方法及び集束探触子を用いた入射角一定 2ォーカシング法等について述べる。.最適周波数及び入射角の設定法 NAUT によるパイプ円周方向探傷では、円周方向で 最大透過波を得る設定条件を確立する必要がある。平 気の斜め入射の透過率については既に実験と理論が良一致することを確認した11~2)。今回、平板の理論が パイプの斜め入射の透過率にも適用可能と考え以下検 した。図1において入射角i のときの透過率 T は式 1)で表される1~3)。
である。ここで、vは空気中の音速、VI、V・は板材縦波と横波の音速、pは空気の密度、pは板材の 密度、dは板の厚さ、i は入射角、01、0は板中での 入射角i に対する縦波と横波の屈折角、k 1y k_tyは板厚さ方向の縦波と横波の波数成分、Z、Z1、Zは入 寸角を考慮した音響インピーダンス、 の は超音波の角 周波数をそれぞれ示している。 図1に NAUT による パイプ円周方向の透過波を得るための実験方法を示す。T: Transmission:: Receiver318.5X : off set value i: incident angle““ig. 1 Experimental method to get maximum transmission wavein circumferential direction of pipe図1の配置で送信探触子→空気→ (鋼) パイプ→空気 →受信探触子の径路で、空気と鋼の音響インピーダン スの相違で90dB の損失がある。これをカバーするのに、 D矩形バースト波によるハイパワーのパルサー・レシ ーバ、2高感度の探触子、3周波数フィルタを内蔵し こ外部プリアンプ等が必要である。実験に用いたパル ナ・レシーバは JPR-10B-QD(ジャパンプローブ(株)製) で、プリアンプは周波数フィルタを内蔵した60dBのも つで、探触子は表1に示す3種類、試験体は外径 18.5mm、肉厚 4.0 ~ 17.3mm の6種類で、実験は図1 2X(入射角 i に対応)及びf d(周波数 f・肉厚d)を 変化させて最大透過波 (透過率)を得る条件を求めた。射角i は管外径D、図1の偏心量Xから式(7)で求 うる。Table 1 Probes used for experiment Frequency | Probe type 400KHz | Plane probe 0.4K14 × 20NLine focusing probe:0.4K40 × 20N R190 800KHz Plane probe 0.8K14 X 20N
---(7) D 図2に最大透過波が得られるfdと入射角の関係にお ける計算値と実験値を示す。実験値と計算値は良く一 致している。よって、式(1)~(7)を用いて各種サイ ズの配管に対し周波数 f及び肉厚d から入射角 i を決 定することができる。
Incident angle (deg)Fig.2 Relationship between frequency f, thickness d &incident angle i to get Maximum Round waves3. 入射角一定フォーカシング法図1の探触子の配置で平面探触子で探傷する場合、 パイプの外面における超音波の入射位置によって入射 角が異なり効率よく超音波を入射できない。そこで入 射角を一定にする方法を考えた。図3に示す入射角一 定フォーカシング法では、パイプの中心線上からず して0点に超音波ビームをフォーカシングすることに よって、パイプに入射する超音波ビームの入射角を 定にすることができる。elementFig. 3 Constant incident angle focusing method図3においてQ点、R点及びP 点の入射角をそれぞれ i(探触子中心の入射角)、i MIN(最小入射角)及び i Max(最大入射角)とすれば、図3の幾何学的位置から 式(8)~(14)が得られる。
例えば、D=318.5mm、 W=40mm、X=20mm、R=190mm の 場合, i = i MIN = iMax=7.2°となり図3の配管外 面に対して入射角を一定にすることができる。この入 射角一定フォーカシング法の効果を確認するために図 1に示すレイアウトで実験を行った。その結果、図4 に示すように平面探触子に比べ、入射角一定フォーカ シング法の場合感度(10 dB)、SN比ともに向上する ことができた。なお、この実験では新たに開発した周 波数フイルタを内蔵した外部プリアンプを用いた。half round 15 round 2.5 roundGAINraport(149komma mara hem38.7dB2012005000(a) Plane probe half round 1.5 round 2.5 roundGAIN 28.5dB200520 2005-005(b) Constant incident focusing method Fig.4 Comparison of round waves between planeprobes and focusing probe 4. 周回波法・周回干渉波法及び反射法の開発図5?図7に示す周回波法・周回干渉波法及び反射 法の組合わせによって配管の円周方向の探傷及びモニ タリング方法を開発した。 no.25round 1.25round 2.25 round
図5の周回波法はきずによって周回波の振幅が変化 することを利用してきずを検出・評価する方法である。 図6の周回干渉波法は図5の0.25周と1.25周の周回波 を干渉させその振幅この変化からきずを検出・評価す る方法である。InterferenceInterference(a)Positive effect (b)Negative effect + Interference Calculation
Frequency(KHz) |(c)Frequency change & interference value Fig.6 Interference of round circumferential wave method 周波数変化時の干渉波形の振幅 I は式(15)で求めた。* I = [(A+Bcos(p)) 2+ (Bsin(p)) 2 ] 1/2-------------(15) 但し、Aは図5の 0.25 周回波の振幅、Bは 1.25 周回 波の振幅、中はAとBの位相差で式(16)による。 1p=2 元[ 九D/(V/F) ]------- -- (16) ここで、Dは配管の外径(mm)、Vはガイド波の音速 (m/s)、Fは周波数(kHz) である。図7に反射法を示す。T から送信された超音波は管内 を伝搬し、きずで反射し、R で受信する。反射法はこ のきずエコーを検出し評価する方法である。Beam pars length of defectDefect echoCriterion echoXL.stanceHotDeiectGateVnit imun17(a) Probe position (b) Criterion echo & defect echoFig. 7 Reflection method5. 実験による検証 1周回波法・周回干渉波法及び反射法の有効性を検証するために各種きず形状について実験した。実験は図 18に示す自動超音波探傷画像装置を用いて行った。図8に示すように配管の軸方向に探触子を走査して周回 波・周回干渉波及び反射波の振幅を画像化した。周波 数400KHz,600KHz及び800KHzである。ScamerPosition meterDriving motorDriving controleFig. 8 Automatic scanning equipment for imaging by NAUT周回波法及び周回干渉波法で、各種きず形状について 周回波及び干渉波の振幅を評価する場合に、きず形状 の影響を受ける。そこで、きず形状係数を考慮し周回 波及び干渉波の振幅を補正し評価を行った。(1)きず形状係数探触子の有効ビーム幅内で円周方向の投影された断 面積の大小をもって表す。ここでは長さ 20mm、深さ t のスリットを基準にした。表2に各種きずの形状係 数の計算パラメータを示す。形状係数の計算は式(17 ~ 21)による。表3に各種きずの形状係数を示す。Table 2 Assumption to determine shape factor for flaw Defect ShapeDefect Shape & Dimension Slit Depth : tドー 20mm 1 4 Length: 20mm Circular Disk Depth : tド 20mm Diameter of FBH:20mm Ellipse shape Depth : t D2 type Width: 10mm|Length:20mm 2017Section of axis directionEllipse shape Depth: t D 4 type Length: 20mmWidth : 10mm101Pit DefectSection of alis direction Depth:t Diameter: 05 Numbers: 25 FBH|W5 x 2mm) (45×4mm)1スリット試験体の形状係数 SF-1、2円形減肉きず SF-20t/20t=1 ---------(17)、3楕円減肉 D2 型きずは SF-3t[(10-2t) + 元 t/2]/20t=[(10-2t) + m_t/2]/20--------(18) 4楕円減肉 D4 型きずの SF は楕円の面積から、SF-10 元 t/21(20t) = /4=0.785----- .......--------------(19) cピットきずの SF の結果のみを示すと SF=0.8---(20)210、5外面を滑らかに仕上げたきずの SF は、SF20(t+0.9t) /2/20t=0.95--------- - -------(21) 図9~図10に周波数 600KHz のきず形状を補正した マスターカーブを示す。図9は周回波法、図 10 は周回 干渉波法である。 Table 3 Shape factor for various kinds of flaws
circumferential waves きずの深さが1mm までは周回波及び干渉波の振幅は 低下するがこれを越えると低下の程度は小さくなる。(3)マスターカーブによる評価図11にマスターカーブを用いた評価手順を示す。 1周回波法・周回干渉波によって探傷する。2きずの 長さが 20mm 以上のものはきず形状係数を考慮したマ スターカーブを使用する。3マスターカーブによって 深さを測定する。Detection startScan of assis directionJudgment of flawlengthUnder 20mmMeasurement of flaw length L20mm and overMaster curve of considering shape factorMeasurement of depthFig. 11 Measurement Procedure using master curveきず長さが20mm 未満の場合、きず長さLより式(22) できず深さ Ft を推定する。ただし、Aはきず長さ測定 時の周回波(周回干渉波)の振幅 Ft%3D (20 / L) X A ---------(21(4)画像例:図 12 にスリットきずの画像例を示す。図 12 に示すようにスリットの部分では明らかに周回波の 振幅は低下している。 Frequency: 600KHz : Test specimen: 50mm long slit Maximum amplitude value of circumferential round wave
(a) Amplitude of round circumferential wave1003(b) Example of image picture Fig.12 Example of amplitude of round circumferentialwave and image picture 図13に反射法によるスリットの反射波及び画像例を 示す。 Frequency: 600KHz: Test specimen: Defect of different slit length Maximum amplitude value of circumferential round wave
Measuring position on the axis position(mm(a) Example of reflection echo from slits(b) Example of image picture for reflection echo Fig.13 Example of reflection echo from slits & image picture6. まとめ - NAUT による矩形バースト超音波パルサー・レシー バを用いて配管の円周方向の探傷法を開発した。 (1) 集束探触子を用いた入射角一定フォーカシング 法を開発した。(2)周回波法・周回干渉波法及び反 射法の組み合わせで配管のきずの検出・評価が可能に なった。(3) NAUTを可能にするには1矩形バースト 波によるパイパワーのパルサー・レシーバ、2高感度 の探触子、3周波数フィルタを内蔵した外部プリアン プ等が必要である。参考文献 (1) 西野秀郎他:非接触ェア UT の板材の斜め入射透過 率に関する検討(1)、平成19年NDI 秋季大会、PP.27-30, (2007)、(2) 高橋雅和他:非接触エア UT の板材の斜め 入射透過率に関する検討 (2) 、平成 19年 NDI 秋季大会、 PP.31-34,( 2007) 、(3)H.Reissner,Helv.Phys. Acta, 7,PP.140-150,(1934) 謝辞徳島大学の西野先生にはガイド波についての御指導 ・計算等の援助を頂いた。心から感謝致します。“ “?三接触空中超音波技術を用いた配管の検査法の開発“ “高橋 雅和,Masakazu TAKAHASHI,星野 秀和,Hidekazu HOSHINO,小倉 幸夫,Yukio OGURA,北川 秀昭,Hideaki KITAGAWA,楠元 淳一,Junichi KUSUMOTO,金谷 章宏,Akihiro KANAYA
矩形バースト超音波はパルス超音波と比較して強力 =パワーが出せること、周波数や波数が容易に可変で - 最適探傷条件を見いだし易い利点がある。今回、矩 ンバースト超音波を用いた非接触空中超音波検査(Non contact Air Coupled Ultrasonic Testing ; E T NAUT < Page )によって、パイプの円周方向に効率良くガイド波を 受できる方法を開発した。本報告では、ガイド波を J率良く伝搬させるための周波数・入射角の設定法、触子の設計方法及び集束探触子を用いた入射角一定 2ォーカシング法等について述べる。.最適周波数及び入射角の設定法 NAUT によるパイプ円周方向探傷では、円周方向で 最大透過波を得る設定条件を確立する必要がある。平 気の斜め入射の透過率については既に実験と理論が良一致することを確認した11~2)。今回、平板の理論が パイプの斜め入射の透過率にも適用可能と考え以下検 した。図1において入射角i のときの透過率 T は式 1)で表される1~3)。
である。ここで、vは空気中の音速、VI、V・は板材縦波と横波の音速、pは空気の密度、pは板材の 密度、dは板の厚さ、i は入射角、01、0は板中での 入射角i に対する縦波と横波の屈折角、k 1y k_tyは板厚さ方向の縦波と横波の波数成分、Z、Z1、Zは入 寸角を考慮した音響インピーダンス、 の は超音波の角 周波数をそれぞれ示している。 図1に NAUT による パイプ円周方向の透過波を得るための実験方法を示す。T: Transmission:: Receiver318.5X : off set value i: incident angle““ig. 1 Experimental method to get maximum transmission wavein circumferential direction of pipe図1の配置で送信探触子→空気→ (鋼) パイプ→空気 →受信探触子の径路で、空気と鋼の音響インピーダン スの相違で90dB の損失がある。これをカバーするのに、 D矩形バースト波によるハイパワーのパルサー・レシ ーバ、2高感度の探触子、3周波数フィルタを内蔵し こ外部プリアンプ等が必要である。実験に用いたパル ナ・レシーバは JPR-10B-QD(ジャパンプローブ(株)製) で、プリアンプは周波数フィルタを内蔵した60dBのも つで、探触子は表1に示す3種類、試験体は外径 18.5mm、肉厚 4.0 ~ 17.3mm の6種類で、実験は図1 2X(入射角 i に対応)及びf d(周波数 f・肉厚d)を 変化させて最大透過波 (透過率)を得る条件を求めた。射角i は管外径D、図1の偏心量Xから式(7)で求 うる。Table 1 Probes used for experiment Frequency | Probe type 400KHz | Plane probe 0.4K14 × 20NLine focusing probe:0.4K40 × 20N R190 800KHz Plane probe 0.8K14 X 20N
---(7) D 図2に最大透過波が得られるfdと入射角の関係にお ける計算値と実験値を示す。実験値と計算値は良く一 致している。よって、式(1)~(7)を用いて各種サイ ズの配管に対し周波数 f及び肉厚d から入射角 i を決 定することができる。
Incident angle (deg)Fig.2 Relationship between frequency f, thickness d &incident angle i to get Maximum Round waves3. 入射角一定フォーカシング法図1の探触子の配置で平面探触子で探傷する場合、 パイプの外面における超音波の入射位置によって入射 角が異なり効率よく超音波を入射できない。そこで入 射角を一定にする方法を考えた。図3に示す入射角一 定フォーカシング法では、パイプの中心線上からず して0点に超音波ビームをフォーカシングすることに よって、パイプに入射する超音波ビームの入射角を 定にすることができる。elementFig. 3 Constant incident angle focusing method図3においてQ点、R点及びP 点の入射角をそれぞれ i(探触子中心の入射角)、i MIN(最小入射角)及び i Max(最大入射角)とすれば、図3の幾何学的位置から 式(8)~(14)が得られる。
例えば、D=318.5mm、 W=40mm、X=20mm、R=190mm の 場合, i = i MIN = iMax=7.2°となり図3の配管外 面に対して入射角を一定にすることができる。この入 射角一定フォーカシング法の効果を確認するために図 1に示すレイアウトで実験を行った。その結果、図4 に示すように平面探触子に比べ、入射角一定フォーカ シング法の場合感度(10 dB)、SN比ともに向上する ことができた。なお、この実験では新たに開発した周 波数フイルタを内蔵した外部プリアンプを用いた。half round 15 round 2.5 roundGAINraport(149komma mara hem38.7dB2012005000(a) Plane probe half round 1.5 round 2.5 roundGAIN 28.5dB200520 2005-005(b) Constant incident focusing method Fig.4 Comparison of round waves between planeprobes and focusing probe 4. 周回波法・周回干渉波法及び反射法の開発図5?図7に示す周回波法・周回干渉波法及び反射 法の組合わせによって配管の円周方向の探傷及びモニ タリング方法を開発した。 no.25round 1.25round 2.25 round
図5の周回波法はきずによって周回波の振幅が変化 することを利用してきずを検出・評価する方法である。 図6の周回干渉波法は図5の0.25周と1.25周の周回波 を干渉させその振幅この変化からきずを検出・評価す る方法である。InterferenceInterference(a)Positive effect (b)Negative effect + Interference Calculation
Frequency(KHz) |(c)Frequency change & interference value Fig.6 Interference of round circumferential wave method 周波数変化時の干渉波形の振幅 I は式(15)で求めた。* I = [(A+Bcos(p)) 2+ (Bsin(p)) 2 ] 1/2-------------(15) 但し、Aは図5の 0.25 周回波の振幅、Bは 1.25 周回 波の振幅、中はAとBの位相差で式(16)による。 1p=2 元[ 九D/(V/F) ]------- -- (16) ここで、Dは配管の外径(mm)、Vはガイド波の音速 (m/s)、Fは周波数(kHz) である。図7に反射法を示す。T から送信された超音波は管内 を伝搬し、きずで反射し、R で受信する。反射法はこ のきずエコーを検出し評価する方法である。Beam pars length of defectDefect echoCriterion echoXL.stanceHotDeiectGateVnit imun17(a) Probe position (b) Criterion echo & defect echoFig. 7 Reflection method5. 実験による検証 1周回波法・周回干渉波法及び反射法の有効性を検証するために各種きず形状について実験した。実験は図 18に示す自動超音波探傷画像装置を用いて行った。図8に示すように配管の軸方向に探触子を走査して周回 波・周回干渉波及び反射波の振幅を画像化した。周波 数400KHz,600KHz及び800KHzである。ScamerPosition meterDriving motorDriving controleFig. 8 Automatic scanning equipment for imaging by NAUT周回波法及び周回干渉波法で、各種きず形状について 周回波及び干渉波の振幅を評価する場合に、きず形状 の影響を受ける。そこで、きず形状係数を考慮し周回 波及び干渉波の振幅を補正し評価を行った。(1)きず形状係数探触子の有効ビーム幅内で円周方向の投影された断 面積の大小をもって表す。ここでは長さ 20mm、深さ t のスリットを基準にした。表2に各種きずの形状係 数の計算パラメータを示す。形状係数の計算は式(17 ~ 21)による。表3に各種きずの形状係数を示す。Table 2 Assumption to determine shape factor for flaw Defect ShapeDefect Shape & Dimension Slit Depth : tドー 20mm 1 4 Length: 20mm Circular Disk Depth : tド 20mm Diameter of FBH:20mm Ellipse shape Depth : t D2 type Width: 10mm|Length:20mm 2017Section of axis directionEllipse shape Depth: t D 4 type Length: 20mmWidth : 10mm101Pit DefectSection of alis direction Depth:t Diameter: 05 Numbers: 25 FBH|W5 x 2mm) (45×4mm)1スリット試験体の形状係数 SF-1、2円形減肉きず SF-20t/20t=1 ---------(17)、3楕円減肉 D2 型きずは SF-3t[(10-2t) + 元 t/2]/20t=[(10-2t) + m_t/2]/20--------(18) 4楕円減肉 D4 型きずの SF は楕円の面積から、SF-10 元 t/21(20t) = /4=0.785----- .......--------------(19) cピットきずの SF の結果のみを示すと SF=0.8---(20)210、5外面を滑らかに仕上げたきずの SF は、SF20(t+0.9t) /2/20t=0.95--------- - -------(21) 図9~図10に周波数 600KHz のきず形状を補正した マスターカーブを示す。図9は周回波法、図 10 は周回 干渉波法である。 Table 3 Shape factor for various kinds of flaws
circumferential waves きずの深さが1mm までは周回波及び干渉波の振幅は 低下するがこれを越えると低下の程度は小さくなる。(3)マスターカーブによる評価図11にマスターカーブを用いた評価手順を示す。 1周回波法・周回干渉波によって探傷する。2きずの 長さが 20mm 以上のものはきず形状係数を考慮したマ スターカーブを使用する。3マスターカーブによって 深さを測定する。Detection startScan of assis directionJudgment of flawlengthUnder 20mmMeasurement of flaw length L20mm and overMaster curve of considering shape factorMeasurement of depthFig. 11 Measurement Procedure using master curveきず長さが20mm 未満の場合、きず長さLより式(22) できず深さ Ft を推定する。ただし、Aはきず長さ測定 時の周回波(周回干渉波)の振幅 Ft%3D (20 / L) X A ---------(21(4)画像例:図 12 にスリットきずの画像例を示す。図 12 に示すようにスリットの部分では明らかに周回波の 振幅は低下している。 Frequency: 600KHz : Test specimen: 50mm long slit Maximum amplitude value of circumferential round wave
(a) Amplitude of round circumferential wave1003(b) Example of image picture Fig.12 Example of amplitude of round circumferentialwave and image picture 図13に反射法によるスリットの反射波及び画像例を 示す。 Frequency: 600KHz: Test specimen: Defect of different slit length Maximum amplitude value of circumferential round wave
Measuring position on the axis position(mm(a) Example of reflection echo from slits(b) Example of image picture for reflection echo Fig.13 Example of reflection echo from slits & image picture6. まとめ - NAUT による矩形バースト超音波パルサー・レシー バを用いて配管の円周方向の探傷法を開発した。 (1) 集束探触子を用いた入射角一定フォーカシング 法を開発した。(2)周回波法・周回干渉波法及び反 射法の組み合わせで配管のきずの検出・評価が可能に なった。(3) NAUTを可能にするには1矩形バースト 波によるパイパワーのパルサー・レシーバ、2高感度 の探触子、3周波数フィルタを内蔵した外部プリアン プ等が必要である。参考文献 (1) 西野秀郎他:非接触ェア UT の板材の斜め入射透過 率に関する検討(1)、平成19年NDI 秋季大会、PP.27-30, (2007)、(2) 高橋雅和他:非接触エア UT の板材の斜め 入射透過率に関する検討 (2) 、平成 19年 NDI 秋季大会、 PP.31-34,( 2007) 、(3)H.Reissner,Helv.Phys. Acta, 7,PP.140-150,(1934) 謝辞徳島大学の西野先生にはガイド波についての御指導 ・計算等の援助を頂いた。心から感謝致します。“ “?三接触空中超音波技術を用いた配管の検査法の開発“ “高橋 雅和,Masakazu TAKAHASHI,星野 秀和,Hidekazu HOSHINO,小倉 幸夫,Yukio OGURA,北川 秀昭,Hideaki KITAGAWA,楠元 淳一,Junichi KUSUMOTO,金谷 章宏,Akihiro KANAYA